摘要：针对传统的电气设备回路状态监测系统采用单一线性设计，稳定性较差、监测效率较低的问题，设计了基于分时复用的电气设备回路状态监测系统。系统硬件主要包括电源电路、采集器、处理器和存储器，并配置SD7362芯片。该芯片具有较高的共模抑制比和增益，可实现分时功能。采集器内置了缓冲器、处理器和A/D转换器，处理器中有多个转换器、大容量存储器、UART接口、通信接口和I/O接口，可实现复用功能。通过分时复用硬件对电气设备的回路状态进行仲裁，结合电气信号分配过程实现对电气设备回路状态的分时复用诊断。实验结果表明，该系统能够有效保证监测过程的稳定性，并提高监测效率。
关键词：分时复用；电气设备；回路状态监测；状态仲裁
在电网和电力系统中，电流和电压出现细微的异常变化都可能会使电力系统在短时间内出现故障，给电力企业带来经济损失。因此，需对电气设备的回路状态进行实时监测[1]。传统的电气设备回路状态监测系统大多采用PC机与上位机相连的方式，构建了独特的回路状态监测模型，然后利用C语言编程来分析回路状态数据中故障发生的位置，根据电气设备的回路状态，确定回路状态数据的存储空间，使电气设备回路状态信号保持定向排列，由排列方式判断出电气设备在回路过程中是否发生故障。但随着对电气设备的不断改进，这种传统监测系统逐渐显现出诸多弊端，例如系统难以及时监测电气设备在回路过程中发生了故障，且监测数据的准确度低，只能存储少量数据，难以实现低功耗监测，监测效率低下[2-3]。针对以上传统监测系统出现的问题，该文设计了基于分时复用的电气设备回路状态监测系统。
1系统硬件设计
基于分时复用的电气设备回路状态监测系统硬件结构
1.1电源电路设计。监测系统的电源电路决定了整个监测系统的运行情况。在电路的输入端存在电气设备的差分信号，这类信号会引起较大的共模干扰，并且共模干扰所产生的电流较大。当电源电路参数不对称时，差分信号引发的干扰会对监测系统的正常监测产生严重影响，电源电路抗干扰能力较好，与其他电源芯片相比，在频率方面，该电源芯片拥有最高的共模抑制比，其他电源芯片的共模抑制比在150Hz频率处就开始下降[4-5]。一般情况下，工作频率为20kHz的电源芯片，其共模抑制比保持在90dB上下，所以该电源芯片可以抑制各类信号的干扰以及线路谐波，极大地降低了滤波要求。同时考虑到电气设备的差分信号中夹杂着电压信号，太高的电压会影响电源电路的电压稳定性，因此电源电路的电压控制在3.3~12V，电流控制在1.8~4.1A,确保电气设备在回路过程中不在截止区或放大区[6-7]。
1.2采集器设计。监测系统的采集器选择TI公司最新推出的TD7364，该采集器具有200MHz的采样时钟，采集器的采样频率为180MSPS。根据图2可知，该文设计的采集器具有4位ECL输出口和多个USB接口，可通过引脚的数量选择单、双口采集方式。由于该采集器的引脚为16个，所以采集方式选择单口方式，只有在电气设备状态数据出现异常时，采集器才可采用两口交替采集方式，这样可以快速采集电气设备状态异常数据，从而确定故障产生原因。采集器可与逻辑电平直接相连，其输出信号带宽为400MHz，功耗为150mW。该采集器具有功耗低的特点，其电路电压为3.3V，电流为1.2A，电路为整个器件供电，采样时钟外部设有多个串行通信接口，处理器可通过串行通信接口处理采集到的电气设备状态数据，并由逻辑控制单元完成对采样数据的控制。尽管采集器采用3.3V的工作电源，但在电路设计时，为保证采集器能够采集到完整的电气设备数据，应提供模拟、数字两路不同的3.3V电源，以此减小信噪比带来的影响[8-10]。
1.3处理器设计。监测系统中存储了大量的电气设备状态数据，采用处理器对数据进行控制和处理，可节省数据控制的时间，并使电气设备状态数据快速显示、存储和监测，因此在选择处理器时，需要选用功耗低、数据处理性能高、速度快的处理器，基于这些方面，该文设计的处理器选用TD公司生产的TI7369，方便电气信号的采样交流和处理通道的转换，多个通信接口和UART接口保证了监测系统与上位机之间的交流，实现了对电气设备的自动化处理[11-12]。处理器具有32位内部数据线和16位地址总线，寻址空间为8MB，采样率最高可达8GSPS，内核电压为4.2V，各种接口电压为1.2V或3.3V，在处理器处于休眠模式时，功耗为2mW，在正常处理数据时，功耗为400mW[13-14]。处理器的芯片选用三星公司生产的SI9836，该芯片有4个通道，每个通道的采样率最高可达2GSPS，可方便处理器实时处理电气设备状态数据。
1.4存储器设计。监测系统的存储器选择TI公司生产的TH2736，芯片选用三星公司推出的H8H6F04R芯片，采用并行存储电路并行存储电气设备回路状态数据，将数据写入存储器的芯片内，保证了数据的完整性。该芯片具有4230Mbit的存储容量，大容量的存储空间能够存储大量的电气设备状态数据。存储器的电路芯片为AD8764，该电路芯片响应速度快，具有较高的带宽，电路的电压最高达3.3V，最低为1.8V，电流最高为1.2A，最低为0.8A，电路为整个存储器进行供电。存储器存储深度为250Mpts/CH，量化精度为16位，瞬时带宽为3.8×103bps，内设采集器的最高采样频率为3.2GHz，存储器内部含有2个存储通道，以便电气设备数据的高速存储，第一个存储通道的采样时间少于第二个存储通道，可以节省数据存储的时间。
2系统软件设计
分时复用利用同一物理连接的不同时段传输不同的信号，达到多路传输的目的，该文设计的基于分时复用的电气设备回路状态监测系统，采用了分时复用技术，分割电气设备回路参数，使不同的电气信号在不同的时间内进行传输[15-16]。该文设计的基于分时复用的电气设备回路状态监测系统的软件流程可分为三步：第一步：电气设备的回路状态仲裁。电气设备的回路状态仲裁以电气状态数据的监测周期作为主要依据，随着电气状态数据的不断增加，真正的仲裁结果需要经过电气处理设备的判断，判断结束后由监测系统运行[17]。将初始的电气设备状态数据传输至监测系统的执行单元。为了防止出现电气数据之间存在拥挤或重叠，执行单元根据电气状态数据不同的监测时间，完成首次回路状态仲裁，在首次仲裁过程中，首次仲裁结果全部临时储存在监测单元内部。仲裁设备的核心器件能准确识别电气设备回路状态数据的排列情况，监测单元向电气设备运行端发送一个请求连接的命令，然后把已经监测完的电气设备状态数据进行压缩，并保存在监测单元，这样可以节省监测时间，缩短监测周期，提高仲裁效率。第二步：分配电气信号。电气信号的分配是监测系统软件运行的重要步骤，当监测系统中存储大量的电气设备回路状态数据时，少部分数据在仲裁设备中进行首次解压，再以解压完的数据格式传输到监测系统的时隙单元内，时隙单元的核心设备为空闲设备，压缩包中的电气设备回路状态信息按照并行任务分配至监测单元内，监测节点根据电气状态数据占据的物理带宽大小，对电气信号进行分配[18]。在分配过程中，特征节点会向电气信号提供两条信息通道，根据电气设备状态数据与待检数据之间的监测模式，对符合标准的电气信号按照时序进行排列，排在后面的电气信号向排在前面的电气信号传输回路信号，以满足电气信号的分配要求。第三步：诊断电气设备的回路状态。对电气设备进行回路仲裁，分配完电气信号后，需要对电气设备的回路状态进行诊断。诊断方法分为两种：一种是对电气设备的某一个设备进行诊断，另外一种是对电气设备中的多个设备进行诊断，如果出现异常回路状态，需要确认属于哪种情况，如果在同一监测点只有一路电气信号与正常信号不同，则可诊断为该路电气信号对应的电气设备回路状态出现了异常，如果在同一监测点有两路或两路以上电气信号发生异常，则需要进一步诊断这几路电气信号对应的电气设备。
3实验研究
为了验证该文设计的基于分时复用的电气设备回路状态监测系统的有效性，将其与传统监测系统进行对比实验。针对存在异常的电气设备回路，分别采用传统系统与文中系统对电气设备回路状态进行监测，并将监测准确度、可储存电气设备状态数据的数量作为指标。综合分析上述实验结果可知，该文系统监测电气设备回路状态的稳定性较强，干扰值基本保持在±2.5dB之间，且监测效率更高，基本保持在95%以上。而传统系统监测电气设备回路状态的稳定性相对较差，干扰值浮动较大，且监测效率偏低，始终处于80%以下。产生上述结果的原因在于该文系统在硬件环境中配置了SD7362芯片，且软件处理器中具有多个转换器、大容量存储器、UART接口、通信接口和I/O接口，从而实现了分时复用功能，提高了监测过程的稳定性和监测效率。综上所述，该文设计的基于分时复用的电气设备回路状态监测系统优于传统监测系统，能够极大地提升监测的效率，且稳定性较高，使系统具有更高的有效性和可靠性。
4结束语
针对传统监测系统存在的稳定性较差、监测效率较低的问题，该文设计了基于分时复用的电气设备回路状态监测系统，该系统采用了分时复用技术，实现了电气设备状态数据的多路传输，并且详细设计了系统的硬件和软件，硬件设计了采集器、电源电路、处理器和存储器，为监测系统的正常运行提供硬件支持；软件方面介绍了分时复用以及软件流程，最后通过实验研究验证了该文系统的应用性能优于传统系统，具有更高的有效性和可靠性，提升了监测效率和稳定性。
作者:谢勇 郦忠伟 钟天翔 王雷 单位:华能国际电力股份有限公司玉环电厂